DE4022949C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Gasspülsteins erhöhter Infiltrationsbeständig­ keit mit gerichteter Porosität zur Anwendung in metallur­ gischen Schmelzgefäßen.

Derartige Spülsteine, die zur Zuführung von Gasen und/oder Feststoffen in metallurgische Schmelzen dienen, sind seit langem bekannt. Eine umfassende Übersicht gibt die RADEX-Rundschau, 1987, 288. In letzter Zeit haben sich insbesondere Gasspülsteine mit "gerichteter Porosität" durchgesetzt. Diese Spül­ elemente sind charakterisiert durch Kanäle innerhalb des feuerfesten, keramischen Matrixmaterials, die von der Gaszuführseite zur Gasaustrittsseite verlaufen.

Die Kanäle werden von einer zentralen Gaszuführung mit Gas, gegebenenfalls aber auch mit Gas-/Feststoffge­ mischen gespeist.

Obwohl sich derartige Gasspülsteine seit Jahren in großem Umfang bewährt haben wird im Rahmen zunehmender Qualitätsanforderungen auch der Wunsch nach Erhöhung der Infiltrationsbeständigkeit dieser Spüleinrichtungen gegen metallurgische Schmelzen geäußert.

Entsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Gasspülstein mit gerichteter Porosität anzubieten beziehungsweise ein entsprechendes Herstellungsver­ fahren zur Verfügung zu stellen, das zu Spülsteinen erhöhter Infiltrationsbeständigkeit führt.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß eine verbesserte Infiltrationsbeständigkeit vor allem durch eine Imprägnierung des Matrixmaterials des Spülsteins (außerhalb der Porenkanäle) erreicht werden kann. Dabei hat die Erfindung erkannt, daß zu diesem Zweck besondere Maßnahmen getroffen werden müssen, um eine Infiltration des Infiltrationsmediums in die offenen Porenkanäle des zuvor hergestellten Spül­ steins mit gerichteter Porosität zu verhindern.

In ihrer allgemeinsten Ausführungsform beschreibt die Erfindung ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen sowie den sonstigen Anmeldungs­ unterlagen angegeben.

Zunächst wird dem Verfahren ein auf konventionelle Weise hergestellter Spülstein mit gerichteter Poro­ sität zugrundegelegt.

Je nach Herstellungsverfahren (gegossener oder gepreßter Spülstein) kann es notwendig sein, den Spülstein anschließend zu tempern (zum Beispiel bei Temperaturen zwischen 350 und 900 Grad Celsius), zu brennen (meist oberhalb 1200 Grad Celsius) oder zunächst zu tempern und anschließend zu brennen.

Der Spülstein wird danach einer Imprägnierungsbe­ handlung unterworfen, wobei wichtig ist, daß während der Imprägnierungsbehandlung die Porenkanäle temporär mit einem Material gefüllt sind, so daß das Imprägnier­ medium nur in das offene Porenvolumen des Matrixma­ terials eindringen kann und dieses zumindest teilweise ausfüllt, während es nicht in die Porenkanäle eindringt, weil diese mit dem Material während der Imprägnierungs­ behandlung ausgefüllt sind.

Die Imprägnierungsbehandlung erfolgt vorzugsweise unter Anwendung von Druck und/oder Vakuum in einem entsprechenden Behandlungsgefäß, wo die Spülsteine zum Beispiel eingetaucht werden.

Wird als Imprägniermedium zum Beispiel Pech oder Teer verwendet, ist es notwendig, die flüchtigen Bestandteile anschließend auszutreiben, weshalb der Spülstein anschließend zumindest getempert werden sollte. Auch während dieses Verfahrensschrittes bleiben die Porenkanäle vorläufig mit dem Material gefüllt, so daß das Imprägniermedium auch dann nicht in die Porenkanäle eindringen und diese verstopfen kann.

Erst danach wird das Material wieder aus den Porenkanälen entnommen. Der imprägnierte Spülstein ist dann einsatz­ bereit; bei Bedarf kann er anschließend aber auch noch gebrannt werden, insbesondere wenn er zuvor noch nicht gebrannt wurde.

Zur Ausführung der Imprägnierungsbehandlung schlägt die Erfindung verschiedene alternative Ausführungsformen vor.

Neben der erwähnten Teer- oder Pech-Tränkung, die in der Regel bei Temperaturen zwischen 150 und 250 Grad Celsius stattfindet kann aber auch eine mechanisch/phy­ sikalische Imprägnierungsbehandlung erfolgen.

Es wurde nämlich festgestellt, daß ein, thixotrope Eigenschaften aufweisender Schlicker, in kaltem Zustand, ebenso wie zum Beispiel erhitztes Pech, in einen mehr oder weniger niedrig viskosen Zustand überführt werden kann. Je nach Auswahl der Komponenten des Schlickers kann seine Viskosität dabei so abgesenkt werden, daß das offene Porenvolumen des Matrixmaterials des Spülsteins mehr oder weniger vollständig verfüllt wird, bevor - nach Abschaltung einer entsprechenden mechanischen/physikalischen Erregereinheit - der Schlicker aufgrund seiner thixotropen Eigenschaften wieder ansteift und das offene Porenvolumen (mit Ausnahme der Porenkanäle) danach zuverlässig ver­ schließt.

Die Auswahl des thixotropen Schlickers erfolgt unter Berücksichtigung folgender Kriterien:

• - die Korngröße des Feststoffanteils des Schlickers muß auf die Größe der zu verfüllenden Poren abge­ stellt werden, das heißt, sie muß kleiner sein. Im bevorzugten Bereich sollte die mittlere Teil­ chengröße der Feststoffkomponente des Schlickers maximal 1/5, vorzugsweise maximal 1/10 des mittleren Durchmessers der offenen Poren des Matrixmaterials des Spülsteins betragen. Je feiner das Schlicker­ material ist, umso vollständiger kann es auch kleinere Poren verfüllen. Bei einem mittleren Porendurchmesser von zum Beispiel 30 µm sollte der Feststoffanteil dann in einer Kornfraktion kleiner 3 µm vorliegen.
• - Die Feuerfestkomponente ist vorzugsweise eine keramische Komponente, die basisch ist, wenn das Matrixmaterial des Spülsteins basisch ist beziehungs­ weise sauer ist, wenn ein saures Matrixmaterial zur Verfügung steht. Als Beispiele können mikroni­ sierter Korund oder feinteiliger Magnesit angegeben werden. Natürlich können auch amphotere Stoffe eingesetzt werden.
• - Zur Aufbereitung des Schlickers enthält dieser neben der feuerfesten keramischen Komponente auch eine gerüstbildende und/oder Flüssigkeitskomponente, die kohlenstoffhaltig sein soll und beispielsweise aus einem Harz bestehen kann. Die Kohlenstoff-Kompo­ nente des Harzes vercrackt bei einer anschließenden Temperaturbehandlung (Temperung) und bildet ein Kohlenstoff-Gerüst für die feuerfesten keramischen Partikel, was sich stabilitätserhöhend für das Imprägniermedium auswirkt.

Vorzugsweise enthält der Schlicker ein Zusatzmittel, das die thixotropen Eigenschaften verstärkt. Zu diesen Mitteln gehören beispielsweise Methylzellulose, aber auch andere Netzmittel wie Alkyl-, Aryl-, Poly­ oxiäthanol.

Die zur Verflüssigung des thixotropen Schlickers vorgesehenen mechanischen/physikalischen Erregerein­ heiten können beispielsweise mechanische Rüttler oder Ultraschalleinrichtungen sein. So können die zu imprägnierenden Produkte zum Beispiel in einen, mit dem Schlicker gefüllten Kessel eingelegt werden. Anschließend wird dann entweder die gesamte Einrichtung bewegt (gerüttelt) oder der Schlicker wird über eine Ultraschalleinrichtung physikalisch beaufschlagt, so daß auf jeden Fall das thixotrope Gerüst des Schlickers zusammenbricht und dieser in das offene Porenvolumen eindringen kann. Durch eine Druck-/Vakuumeinrichtung, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist, kann die Imprägnierung zusätzlich unterstützt werden.

Der Vorteil dieses Imprägnierungsverfahrens besteht darin, daß die Imprägnierung im kalten Zustand erfolgt, also zum Beispiel bei Raumtemperatur. Hierdurch können Energiekosten eingespart werden. Eine nachfolgende Temperung zur Verdampfung der flüchtigen Bestand­ teile kann entfallen. Umweltbelastende Emissionen treten nicht auf.

Wie oben ausgeführt können aber auch Teer- oder Pech-Im­ prägnierungsverfahren eingesetzt werden, die in anderem Zusammenhang, zum Beispiel bei feuerfesten keramischen Steinen, bekannt sind.

Während der Imprägnierbehandlung sowie der gegebenen­ falls sich anschließenden Temperung müssen die Porenkanäle - wie beschrieben - verfüllt sein, damit kein Imprägnier­ medium dort eindringt und die Kanäle verstopft. Zum Ausfüllen der Porenkanäle können unterschiedliche Materialien eingesetzt werden. Die Materialauswahl hat jedoch so zu erfolgen, daß keine unlösbare Verbindung des Materials mit dem keramischen Matrixmaterial des Spülsteins entsteht. Als Beispiele können ange­ geben werden: pulverförmige, inerte Stoffe, die in die Porenkanäle eingefüllt werden, wobei die offenen Enden der Porenkanäle dann abgedichtet werden, zum Beispiel durch Aufsetzen einer Platte. Ebenso können aber auch feste stab- oder streifenförmige Elemente eingesetzt werden, zum Beispiel aus Papier, Pappe, Kunststoff oder Metall. Um das spätere Herausziehen dieser Elemente zu erleichtern, können sie auf ihrer Oberfläche mit einem Gleitmittel beschichtet sein, zum Beispiel Wachs, Paraffin, Öl oder Graphit. Der Querschnitt dieser Elemente sollte gleich oder geringfügig kleiner als der Querschnitt der Porenkanäle sein, so daß sie einerseits die Porenkanäle vollständig ausfüllen, andererseits aber später wieder leicht entnehmbar sind. Zum Herausziehen der Elemente ist es - je nach verwendetem Material - vorteilhaft, diese zuvor zu erwärmen. Bei metallischen Elementen hat sich eine induktive Erwärmung als besonders vorteil­ haft herausgestellt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Herstellung von Spülsteinen mit gerichteter Porosität, die gegenüber bekannten gattungsgleichen Spülelementen eine deutlich erhöhte Infiltrationsbeständigkeit aufweisen. Handelt es sich bei den Spülsteinen um gepreßte, insbesondere isostatisch gepreßte Spülsteine, wird die mechanische Stabilität und Infiltrationsbeständigkeit zusätzlich aufgrund der höheren Dichte des Matrixmaterials verbessert.

Claims (20)

1. Verfahren zur Herstellung eines Spülsteins erhöhter Infiltrationsbeständigkeit mit gerichteter Poro­ sität zur Anwendung in metallurgischen Schmelzge­ fäßen, ausgehend von einem auf bekannte Art und Weise unter Ausbildung von gerichteten Poren­ kanälen hergestellten Spülstein, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Spülstein einer Imprägnierungs­ behandlung unterworfen wird, während der die Porenkanäle temporär mit einem Material gefüllt sind und das Imprägniermedium in das offene Poren­ volumen des Matrixmaterials eindringt und dieses zumindest teilweise ausfüllt, bevor das Material danach aus den Porenkanälen wieder entfernt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Spülstein vor der Imprägnierungsbehandlung und/oder dem Füllen der Porenkanäle getempert, gebrannt oder getempert und gebrannt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der imprägnierte Spülstein anschließend getempert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Temperung vor der Imprägnierungsbehandlung bei Temperaturen zwischen 350 und 900 Grad Celsius durchgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem als Imprägniermedium ein thixotrope Eigenschaften aufweisender Schlicker aus einem feinteiligen, feuerfesten keramischen Material und einer kohlen­ stoffhaltigen Komponente eingesetzt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5 mit der Maßgabe, daß ein Schlicker eingesetzt wird, dessen Feststoffgehalt mindestens 40 Gew.-% beträgt.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6 mit der Maßgabe, daß ein Schlicker eingesetzt wird, dessen Feststoff­ anteil eine maximale Korngröße von 1/5 des mittleren Porendurchmessers des Spülsteins aufweist.

8. Verfahren nach Anspruch 7 mit der Maßgabe, daß ein Schlicker eingesetzt wird, dessen Feststoffanteil eine maximale Korngröße von 1/10 des mittleren Porendurchmessers des Spülsteins aufweist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8 mit der Maßgabe, daß ein Schlicker eingesetzt wird, der ein Thixotropiermittel enthält.

10. Verfahren nach Anspruch 9 mit der Maßgabe, daß als Thixotropiermittel eine Methylzellulose verwendet wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10 mit der Maßgabe, daß als kohlenstoffhaltige Komponente ein Harz, beispielsweise ein Phenolharz oder ein Novolakharz eingesetzt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 11 mit der Maßgabe, daß die feuerfeste Komponente des Imprägniermediums für einen Spülstein aus einem basischem Matrixmaterial basisch beziehungsweise für einen Spülstein aus einem sauren Matrixmaterial sauer ist.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 12, bei dem der Schlicker mittels einer mechanischen und/oder physikalischen Erregereinheit verflüssigt und, gegebenenfalls unter Anwendung von Druck und/oder Vakuum, in das offene Porenvolumen des Spülsteins eingebracht und nach Erreichen eines vorgegebenen Verfüllungsgrades die Erregereinheit unter gleichzeitigem Ansteifen des Imprägnier­ mittels in den Poren abgeschaltet wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 mit der Maßgabe, daß als Imprägniermedium eine kohlenstoff­ haltige Substanz eingesetzt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem als Impräg­ niermedium Pech oder Teer eingesetzt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15 mit der Maßgabe, daß das Imprägniermedium in viskoser Form unter Druck und/oder Vakuum in das offene Porenvolumen des Matrixmaterials des Spülsteins eingebracht wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16 mit der Maßgabe, daß der imprägnierte Spülstein bei einer Temperatur getempert wird, bei der die flüchtigen Bestandteile des Imprägniermediums verdampfen.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17 mit der Maßgabe, daß die Porenkanäle während der Imprägnierungsbehandlung sowie der sich gegebenen­ falls anschließenden Temperung mit demselben Material gefüllt sind, das zur Ausformung der Porenkanäle bei der Herstellung des Spülsteins verwendet wurde.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, bei dem während der Imprägnierungsbehandlung sowie gegebenenfalls bei der sich anschließenden Temperung die Porenkanäle mittels stab- oder streifenförmiger Elemente verschlossen sind, die anschließend wieder herausgezogen werden.

20. Verfahren nach Anspruch 19 mit der Maßgabe, daß die stab- oder streifenförmigen Elemente vor dem Herausziehen erwärmt werden.